[发明专利]一种基于表面等离子体增强原理的太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离子体增强原理的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在新能源的行列中，太阳能占地球总能量的99%以上，具有清洁性以及大储量，正在逐步成为新能源产业的主力军(Chem.Rev.2010,110,6595)。而太阳能电池则是将太阳能转化为电能的重要载体，它主要是利用光伏半导体材料的光生伏特效应进行光电转换；目前主要研究的半导体材料有：单晶硅，多晶硅，多元化合物，有机半导体，染料敏化等(Chem.Rev,2007,107:1324-1338)。

与传统的硅太阳能电池相比，有机染料敏化太阳能电池以其低廉的成本成为一股新兴力量，也是未来光伏产业的重要发展方向；不过其光电转换率较低在某种程度上降低了其发展步伐(Nature Photon,2012,6:180-185)。

石墨烯是具有优异性能的二维平面材料，如单原子层石墨烯材料理论表面积可达2630m2/g(Solid State Commun.2008,146(9/10):351–355)高达200000cm2/(V·s)的半导体本征迁移率，热传导率约为5000W/(m·k)，且透光率达到97.7%（Adv.Mater,2010,22(35):3906–3924）；其如此优异的性能主要取决于石墨烯的分子结构，它是一种SP²杂化碳原子形成的六边形二维网络结构不断扩展得到的单层或少层材料(Nature Photon.2010,4,611)。目前应用于太阳能电池的透光导电电极的材料为金属氧化物，俗称导电玻璃（如氧化铟锡，氧化氟锡），但导电玻璃中的金属离子容易自发扩散，对红外光谱具有较强的吸收性，而且其热稳定性较差（Adv.Mater.,2011,23(13):1514–1518）；人们急需一种可以替代导电玻璃的低成本材料，来进一步促进太阳能电池的产业化进程（Nanotechnology,2012,23(8):085201–1–6）。石墨烯作为一种超薄，透光性能良好，导电性能优异的材料，并以其较低成本的优势备受人们关注（Opt.Mater.Express,2012,2(6):814–824）。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面等离子体增强原理的太阳能电池及其制备方法。

本发明所提供的基于表面等离子体增强原理的太阳能电池，其包括在背电极上依序层叠排列的：宽禁带半导体层、光敏化染料层、石墨烯层及金属纳米颗粒层。

其中，所述背电极可由下述至少一种材料组成：铟、银和铝。所述背电极的厚度可为150nm至200nm。

所述宽禁带半导体层中的宽禁带半导体通常是指禁带宽度大于2.2eV的半导体；具体选择下述任意一种半导体材料：氧化锌、二氧化钛、氮化镓、碳化硅和硫化锌。所述宽禁带半导体层的厚度可为300nm～800nm。使用时，上述半导体材料通常以晶片的形式存在。

所述光敏化染料层吸附于所述宽禁带半导体层表面，其可由多吡啶钌配合物类染料敏化剂组成，例如K19，N3,N719,Z907和Black dye。所述K19染敏分子的结构式如式Ⅰ所示，N3染敏分子结构式如式Ⅱ所示，N719分子结构式如式Ⅲ所示，Z907染敏分子结构式如式Ⅳ所示，Black dye染敏分子结构式如式Ⅴ所示。所述光敏化染料层的厚度可为1～2nm。

所述石墨烯层具体可由单层石墨烯片组成。

所述金属纳米颗粒层沉积于所述石墨烯层上，其具体可由下述至少一种金属的纳米颗粒组成：金、银和铜。所述金属纳米颗粒层的厚度可为5～15nm，所述纳米颗粒的粒径可为20～60nm。

本发明的基于表面等离子体增强原理的太阳能电池，其结构还可包括设于所述金属纳米颗粒层上的柔性透明材料层。所述柔性透明材料层中组成材料的选择及层厚度以能够实现对石墨烯的转移及对太阳光的高透射率为基准，如可以选择聚丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯对苯二甲酯（PET）、聚酰亚胺（PI）等材料。所述柔性透明材料层的厚度通常为100-300nm。

本发明的再一个目的是提供上述基于表面等离子体增强原理的太阳能电池的制备方法。

所述制备方法具体包括如下步骤：

1）制备表面平整的宽禁带半导体；其中，所述宽禁带半导体的一面为光滑表面（即经过机械抛光），另一面为粗糙表面（即未经过机械抛光）；

2）在步骤1）制备的表面平整的宽禁带半导体的粗糙表面蒸镀金属，形成背电极；